飞机悬挂物FC网络标准研究与关键技术分析

王世奎, 张利洲, 焦 龙

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安 710065)

飞机悬挂物FC网络标准研究与关键技术分析

王世奎, 张利洲, 焦 龙

(中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，西安 710065)

为提高飞机的武器装备作战能力，FC网络将应用于未来飞机悬挂物系统的高速上下行通信。说明了飞机悬挂物FC网络标准(AS5653)与FC-AE-1553,FC-AV,FC-FS,FC-SW等标准的关系，研究了飞机悬挂物FC网络标准的组成和主要技术要求。分析了飞机悬挂物FC网络设计中的拓扑与端口规划、通信模式、网络初始化、高层协议设计等主要关键技术，为飞机悬挂物高速FC通信网络的研发奠定基础。

飞机悬挂物； 网络通信标准; FC网络； FC-AE-1553； AS5653； 通信模式

0 引言

传统的MIL-STD-1760飞机武器悬挂物系统，通过运用1553B总线提高了飞机的作战能力，但随着航空武器性能的快速发展，仅1553B总线作为武器悬挂物系统的通信总线已阻碍了战技能力的提高。近年来，美国空军已将飞机、悬挂物管理系统与武器挂点之间的高速信息通信作为研究计划中的一个重点。随着机载网络通信技术尤其是航空电子环境光纤通道网络(FC-AE)的成功应用，2007年美国军方在MIL-STD-1760E中提出了飞机悬挂物上下行高速通信中采用FC网络的要求[1]。美国SAE组织针对MIL-STD-1760E要求选择基于FCAE-1553协议，在2008年颁布了针对飞机悬挂物的FC高速网络通信标准AS5653[2]。据报道，美国在RF-22等型号飞机武器系统上采用AS5653协议组建高带宽的FC网络，提高了作战和侦察能力，2011年以来，美国的AIT,DDC等公司也相继公布了满足AS5653，1760E标准的相关FC网络节点模块和交换机产品。SAE组织分别于2012年和2014年修订AS5653并升级为AS5653A和AS5653B，由此可见，国外正开展对飞机悬挂物新型高速FC网络的协议研究工作。

本文综合FC-AE-1553，FC-FS等基础标准和1760E顶层标准，分析了AS5653B标准与其他标准的关系，研究了飞机悬挂物高速FC网络标准的组成和技术要素。为开展飞机悬挂物高速FC网络的设计，本文分析了飞机悬挂物系统FC网络在拓扑与端口规划、物理层特性分析、网络设备注册与初始化、高层通信模式与协议设计等关键技术，为研制满足AS5653B标准要求的新型飞机悬挂物高速FC通信网络奠定了基础。

1 飞机悬挂物FC网络的优势

虽然在MIL-STD-1760A/B/C/D等飞机武器悬挂物系统中，大量运用了1553B总线，提高了飞机的作战性能，但随着武器性能指标的提高、挂点数量的扩展、即插即用应用模式的出现、网络化作战需求等发展，1553B总线作为武器系统通信网络，已出现了性能不足，无法满足新型飞机与高性能武器系统之间的通信要求。应运而生的MIL-STD-1760E选择了FC技术，在AS5653B标准中提出了可行的解决方案。

飞机悬挂物系统通过采用AS5653B高带宽FC网络，能够解决传统的1553B总线存在的以下不足。

1) 适应任务的业务模式受限。1553B总线只能满足MIL-STD-1760A/B/C/D和MIL-STD-1760E的II类的飞机挂点接口(ASI)、运载悬挂物接口(CSI)、运载悬挂物挂点接口(CSSI)、任务悬挂物接口(MSI)的要求，支持指令、状态等信息的业务服务，无法全面覆盖MIL-STD-1760E的I类的ASI，CSI，CSSI和MSI对传输文件、图像及语音等高带宽通信任务的要求；采用FC网络，能够全面覆盖1760E的I类的所有通信需求。

2) 与航电系统网络适配性不好。1553B武器总线与综合模块化航电系统的FC主干网络协议差距远、速率差距大、匹配难度大；悬挂物系统采用FC网络，提高了协议、速率等方面的匹配性，简化了网关的设计，有利于航电系统、武器系统的集成、维护。

3) 传输带宽不足且有效吞吐率不高。1553B总线的速率仅1 Mbit/s，有效吞吐率最高只有75%，明显不能满足大容量数据文件、图像传输几百Mbit/s到1 Gbit/s传输速率的需求；而采用FC网络，速率达到1 Gbit/s，提高1000倍，而且FC帧所带的有效负荷远大于FC帧头、1553帧头、CRC等长度，对长帧传输，效率可以提高到95%以上,可以满足该类高带宽通信需求。

4) 传输延迟大且误码率不够高，由于1553B速率的限制，消息传输延时在几十微秒到近1 ms，对实时性要求高的紧急事件传输存在风险，而FC网络的帧传输延时在几微秒到几十微秒，完全满足强实时需求。1553B总线的误码率为10-7，而FC网络的误码率为10-12，准确性提高万倍，为保证数据交换的完整性、可靠性奠定了基础。

5) 拓扑连接方式单一。1553B总线只支持总线拓扑，无法支持分布式的控制与并行的通信；而在武器系统中AS5653规定FC网络可选择点对点、交换结构，对各级设备的布局，ASI，CSI，CSSI和MSI之间电缆的布线适应性更好，通过采用交换结构，支持武器系统的分布式的控制与并行的通信。

由以上分析可见，1553B总线的传输速率、拓扑结构、通信指标、支持的业务模式很难满足未来飞机悬挂物的通信要求，因此，研究基于FC网络的飞机外挂物通信协议是解决此瓶颈的必经之路。

2 飞机悬挂物FC网络标准的研究

2.1 其他标准的关系

MIL-STD-1760E标准在物理特性、电气特性和逻辑特性3方面规定了飞机悬挂物系统与悬挂物之间的通用接口，它提出了高宽带上行光纤通道(UFC)和下行光纤通道(DFC)的要求，是AS5653B标准的顶层通用要求。

美国INCITS组织制定了适应于航空电子环境的FC高层协议标准(FC-AE)，其包含了5种协议，但目前受到关注的只有FC-AE-ASM和FC-AE-1553协议，F-35航电系统采用FC-AE-ASM协议，继而在AH-64D，MMH等直升机型上推广应用；而FC-AE-1553协议的研究热点则是与1760E相结合，形成了飞机武器系统的FC通信标准AS5653B，即MIL-STD-1760的高速网络。

AS5653B除了主要基于FC-AE-1553外，又与FC协议簇的FC-FS，FC-LS，FC-AV，FC-SW等紧密相关，其相互关系如图1所示。

图1 AS5653B标准与其他标准的关系图Fig.1 The relation of AS5653B with other standards

AS5653B与5个FC协议标准[3-7]的关系如下：1) FC-FS是AS5653B编码、帧与信令协议的基础；2) FC-PI是AS5653B物理层电气特性的基础；3) FC-LS是AS5653B扩展链路服务协议的基础；4) FC-SW则是AS5653B交换机协议的基础；5) FC-AV是AS5653B视频与音频传输协议的基础；6) FC-AE-1553是AS5653B指令、状态、文件等传输协议的基础。

2.2 通信标准的构成

MIL-STD-1760E标准定义了高速FC的上行信号、下行信号的接口，AS5653B协议面向1760要求，则详细规定了飞机悬挂物系统的FC网络通信要素[8-10]：通信数据类型，交换或点到点的拓扑结构，飞机、悬挂管理节点及武器挂点等的FC端口类型，FC电气特性，FC基本的帧与信令协议，与高层FC-AE-1553协议的映射关系。AS5653B协议主要规定了以下内容。

1) FC网络的通用要求。

根据悬挂物系统的特殊要求，禁止采用仲裁环拓扑结构，可选择交换、点到点及混合的拓扑结构，见图2。

图2 典型的飞机/悬挂物系统FC网络拓扑结构Fig.2 FC network topology of typical aircraft/store

支持传输的信息类型包括：命令和控制、文件、视频与音频等应用数据，因此需要基于FC-AE-1553和FC-AV标准完成数据的封装、组织和解析。

2) FC传输介质特性要求。

3) 链路层协议的规定。

为保证延时的确定性，结合FC-AE-1553和FC-AV的服务特性，从FC-FS的6类服务中确定只选择3类服务，即缓冲到缓冲的流控机制；在网络端口注册方面，ASI,CSSI,CSI和MSI的FC端口之间需要采用显式注册，明确端口的类型、流量信用值、相关的计时器值等；网络控制器(NC)、网络终端(NT)、交换机应支持至少两级优先级。

4) FC高层映射协议的规定。

选择基于FC-AE-1553协议的长消息实现1760的文件传输，基于FC-AE-1553单帧协议实现命令和控制传输作为1553B总线功能的替代通道，而且要求网络上各个节点均要实现FC-AE-1553协议并支持这两种通信模式；视频与音频的传输则是从FC-AV标准选择了帧头控制协议(FHCP)，要求FC网络控制器必须实现该协议而其他的网络终端可以根据系统情况选择是否实现。

3 网络关键技术分析

基于原有的FC网络设计技术，分析AS5653B新的特殊要求，开展相应关键技术的研究，才能研发出符合AS5653B的飞机悬挂物系统FC网络。下面分析说明飞机悬挂物系统FC网络设计的主要关键技术。

1) 网络规划。

分析飞机航电系统、火控系统、悬挂物管理、武器等之间的信息逻辑交联关系和传输信息类型，研究各个机载设备、悬挂设备的物理布局、接口、安装布局等物理因素，建立悬挂物高速FC网络的拓扑结构模型，一般采用交换机为核心的FC交换拓扑网络。根据系统需求，决定FC交换网络的传输速率、吞吐量、交换机的端口数目、端口类型(如交换机的F端口、AE端口或节点机的N端口)、物理设备交联关系。分别规划下行信息流、上行信息流中1760接口到FC功能端口的映射关系及通信通道的收发关系，下行、上行通信收发关系可能的组合如表1所示。

表1 下行、上行通信各个接口的收发组合表

2) 通信模式与通信业务分析。

与偷税相接近的税务概念还有“漏税”一词。漏税是指纳税人(包括代缴义务人)由于过失没有按照税法的规定缴纳或足额缴纳税款的行为。漏税是一种过失行为，是一般违法行为，由税务机关责令补缴。《税收征管法》第三十一条规定：因纳税人、口角义务人计算错误等失误未缴或少缴纳税款的是典型的漏税行为。

悬挂物系统的FC网络通信模式为集中控制响应型，只有一个网络控制器NC，其余为网络终端NT。NC和NT都必须支持FC-AE-1553的命令和文件两类信息传输，关于对FC-AE-1553的限定在下面专门说明；对于需要传输视频和音频的系统，NC需要支持FC-AV的FHCP协议。对于视频传输，遵循FC-AV的简单参数数字视频(SPDV)组帧格式，对于音频传输，依据FC-AV规定。

3) FC电缆传输设计。

悬挂物系统的FC物理层应符合FC-PI的100-SE-EL-S的要求。对于基于75 Ω同轴电缆、1.062 5 Gbit/s传输速率的传输介质，为保证悬挂物系统的高可靠性，在电气特性设计中要求增强发送信号的幅度，降低传输损耗。① 要求发送端信号峰值范围为2～3 V；② 对传输链路的信号分为主体系统(包括平台、机架吊舱)和悬挂物本身两部分估算损耗余量,基本的分配原则为平台占95%，悬挂物占5%，在实际应用中应根据实际距离的长短确定不同的分配比例。具体的信号抖动、幅度、上升下降沿时间、眼图等详细要求,这里不再赘述。

4) 网络设备注册与初始化。

悬挂物系统FC网络的帧、序列、交换、流控服务等只是在FC-AE-1553及FC-FS上作了限定，没有增加复杂的要求,本文重点说明悬挂物系统FC网络设备注册与初始化要求。在交换拓扑悬挂物系统FC网络中，要求ASI,MSI,CSI,CSSI和NC等各个端口具备的注册功能如表2所示。与NC相连接的交换机采用快速交换初始化协议(FFI)，发起并完成初始化，期间ASI、CSSI的端口(AE端口或F端口)特性通过显式注册完成；在上电120 ms内，MSI应具备接收PLOGI请求并发送确认应答或拒绝应答的能力，交换机在FLOGI过程中为连接的N端口完成网络地址分配。

表2 ASI,MSI,CSI,CSSI和NC注册功能的要求

FLOGI由MSI或悬挂物内部的N端口发起，由所连接的ASI或CSSI进行响应。ASI发起PLOGI，MSI或悬挂物内部的N端口响应PLOGI，CSI或CSSI传递PLOGI但不做处理。作为悬挂物管理计算机负责发起到所有N端口的PLOGI，但对于需要执行NT-to-NT传输的节点需要在两两NT之间执行PLOGI操作。

5) FC-AE-1553通信协议功能要点。

为兼容MIL-STD-1553工作模式，FC-AE-1553网络同样为一种命令/应答协议，但增加了NC可禁止应答的可选功能。网络主要设备为NC,NT,其中，NC负责组织网络数据的传输，NT是在NC的管理下完成网络的数据传输。FC-AE-1553定义了用于NC以及NT发送数据的信息单元，称之为IU，不同的通信模式下，所使用的IU不同，NC,NT分别有7种IU。

为适应飞机悬挂物通信要求，在FC-AE-1553协议基础上，设计实现应符合以下限定：

① 为保证网络的高可靠性，禁止使用FC-AE-1553协议定义的“允许”的NC监视 NT-to-NT传输、多播、NT对广播的状态应答三项功能特性；

② 为限定方式代码、严格FC网络定时器初值等，对FC-AE-1553进程注册中的相关服务参数作了更详尽的规定；

③ 为保证命令和控制类型消息的延时最小化，NC命令、NT应答状态应采用单帧序列传输，且NC命令、NT响应状态帧、NT状态扩展头之后有效数据载荷长度均应小于或等于2048 Byte；

④ 为文件传输的高效率，选择基于FC-AE-1553协议的长消息实现文件传输，因此规定命令字中的“NT Burst Size Request”应被设置为“1”，同时，命令字中的“Delayed NT Burst Size Request”应设置为“0”,所有发送大于一个FC帧长度的数据时都应使用NT Burst Size Request方式，以允许接收方平滑数据流量。

4 结束语

通过分析传统的飞机悬挂物1553B总线通信存在的能力不足问题，说明了1760E中扩展高速FC网络的必要性，结合1760E,FC-AE-1553,FC-FS,FC-SW,FC-AV标准，分析了AS5653B标准与其他标准的关系，详细说明了飞机悬挂物高速FC网络标准的组成要素，重点剖析了FC网络设计关键技术，为研制新型飞机悬挂物高速FC通信网络奠定基础。

[1] Department of Defense.MIL-STD-1760E:Aircraft/store electrical interconnection system [S].Department of Defense, USA,2007.

[2] SAE.AS5653B:high speed network for MIL-STD-1760[S].SAE AS-1A Avionic Networks Subcommittee，USA,2014.

[3] ANSI.TR-42-2007：INCITS technical report for information technology-fibre channel-avionics environment-upper level protocol (FC-AE-1553)[S].American National Standards Institute,USA,2007.

[4] ANSI.INCITS 356-2002:fibre channel-audio video (FC-AV)[S].American National Standards Institute,USA, 2007.

[5] ANSI.INCITS 352-2002:information technology-fibre channel-physical interfaces (FC-PI)[S].American National Standards Institute,USA,2007.

[6] ANSI.INCITS 418-2006:American national standard for information technology-fibre channel-switched fabric(FC-SW)[S].American National Standards Institute,USA,2007.

[7] ANSI.INCITS 424-2007:information technology-fibre channel-framing and signaling (FC-FS) [S].American National Standards Institute,USA,2007.

[8] 任文明，舒振杰.飞机悬挂物电气接口标准研究[J].航空标准化与质量，2013(2)：18-21.

[9] 王朝阳，季晓光，丁全心.机载悬挂物管理系统技术发展分析[J].电光与控制,2009,16(3):1-5,12.

[10] 中国航空工业总公司.GJB1188A-1999飞机/悬挂物电气连接系统标准[S].北京:总装备部军标出版发行部,1999.

FC Network Standard of Aircraft/Store and the Key Technologies

WANG Shi-kui, ZHANG Li-zhou, JIAO Long

(Aeronautical Computing Technique Research Institute，AVIC,Xi’an 710065,China)

In order to improve the operational capability of aircraft weapon,FC network shall be applied in high speed up/down communication paths of the aircraft/store.The relations of FC network standard of Aircraft/Store (AS5653) with FC-AE-1553,FC-AV,FC-FS,and FC-SW are presented.The composition and main technical requirements of AS5653 are studied.The key technologies in aircraft/store FC network design,including network topology and port layout,communication modes,network initialization and high-level protocol,are also analyzed,which can be taken as a reference for development of FC network in aircraft/store.

aircraft/store； network communication standard； FC network； FC-AE-1553； AS5653； communication mode

王世奎,张利洲,焦龙.飞机悬挂物FC网络标准研究与关键技术分析[J].电光与控制，2017，24(9)：50-53.WANG S K,ZHANG L Z,JIAO L.FC network standard of aircraft/store and the key technologies[J].Electronics Optics & Control,2017,24(9):50-53.

2016-09-05

2017-05-28

航空科学基金(2014ZC31002)

王世奎(1965 —),男，山西运城人，硕士，研究员，研究方向为机载网络与总线通信技术。

V271.4

A

10.3969/j.issn.1671-637X.2017.09.011